JP2012169567A

JP2012169567A - 電気二重層キャパシタ

Info

Publication number: JP2012169567A
Application number: JP2011031428A
Authority: JP
Inventors: Masaji Ishikawa; 正司石川; Takehiko Oki; 武彦大木; Ryuichiro Kuboshima; 隆一郎窪島
Original assignee: Ohgi Technological Creation Co Ltd
Current assignee: Ohgi Technological Creation Co Ltd
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】集電体と分極性電極に対していずれにも良好な接着性を有し、しかも、電解液に対して反応し難い点で優れた導電性の層が集電体と分極性電極の間に設けられた電気二重層キャパシタを提供する。
【解決手段】この電気二重層キャパシタ１は、セパレータ２と、セパレータ２の両側に設けられた２個の分極性電極３，３’と、それぞれの分極性電極３，３’の外側に設けられた集電体４，４’と、を備えており、セパレータ２と２個の分極性電極３，３’に電解液Ｌが含浸されたものにおいて、集電体４，４’にＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’が形成され、ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’に分極性電極３，３’が接着されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタに関する。

今日、電気二重層キャパシタは、静電容量が大きくて多量の電荷を蓄積でき、内部抵抗が低いので急速充放電が可能であり、充放電による劣化が少ないので充放電のサイクル寿命が長いなどの利点から各種の電子機器に使用されている。電気二重層キャパシタは、セパレータの両側に２個の分極性電極が設けられ、それらに電解液が含浸され、それぞれの分極性電極の外側に集電体が設けられたものである。分極性電極は、静電容量を大きくするよう表面積が大きい多孔質物質（一般には、活性炭）の粒状体がバインダーで結着されたものである。セパレータの両側における分極性電極と電解液の界面で、分極性電極中の電荷と電解液中のイオンが電気二重層を構成することによって、電荷が蓄積される。また、集電体は、金属箔（一般には、アルミニウム箔）が用いられている。

多量の電荷の急速充放電のためには、集電体と分極性電極間の内部抵抗が小さく、かつ安定していることが好ましい。そのため、従来より、種々の技術が提案されている。特許文献１には、集電体と分極性電極との間に、合成ゴム及び粒径の異なる２種類以上の炭素材を含んだ導電性中間層を介在させたものが記載されている。また、特許文献２には、集電体と分極性電極との間に、炭素粒子を含み、かつバインダーとしてエポキシ基を含有しない重合体を含む導電性接着剤層を介在させたものが記載されている。これらの特許文献１及び特許文献２は、集電体と分極性電極の間に所定の導電性の層を設けて、集電体と分極性電極の接着性を上げることにより、内部抵抗が小さく、かつ安定しているようにするものである。特許文献３には、集電体と分極性電極との間に導電性のバリア層を設け、電解液中の腐食性イオンから集電体を保護するものが記載されている。このバリア層として、リン系化合物から成るものが挙げられている。また、特許文献４に、活性炭より卑でアルミニウムよりも貴な浸漬電位を示す物質からなる層をアルミニウム箔の表面に設けたものが記載されている。この活性炭より卑でアルミニウムよりも貴な浸漬電位を示す物質として、炭化チタン、窒化チタンが挙げられている。これらの特許文献３及び特許文献４は、集電体と分極性電極の間に所定の導電性の層を設けて、集電体の金属と電解液の反応による経時劣化を抑止することにより、内部抵抗が小さく、かつ安定しているようにするものである。

特開２００５−１３６４０１号公報特開２０１０−１７１２１２号公報特開２００７−２４２９９４号公報特開２００８−９１５６３号公報

これら特許文献１〜４のように、集電体と分極性電極間の内部抵抗を小さく、かつ安定させるためには、集電体と分極性電極の間に適切な導電性の層を設けるのが有効である。しかしながら、従来の導電性の層は、集電体と分極性電極に対していずれにも十分な接着性を有し、しかも電解液に対して十分に反応し難いものである、とは必ずしも言えない。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、集電体と分極性電極に対していずれにも良好な接着性を有し、しかも、電解液に対して反応し難い点で優れた導電性の層が集電体と分極性電極の間に設けられた電気二重層キャパシタを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の電気二重層キャパシタは、セパレータと、該セパレータの両側に設けられた２個の分極性電極と、該それぞれの分極性電極の外側に設けられた集電体と、を備えており、前記セパレータと前記２個の分極性電極に電解液が含浸された電気二重層キャパシタにおいて、前記集電体にＤＬＣ導電性中間層が形成され、該ＤＬＣ導電性中間層に前記分極性電極が接着されていることを特徴とする。

請求項２に記載の電気二重層キャパシタは、請求項１に記載の電気二重層キャパシタにおいて、前記集電体の表面近傍内部は、イオン注入された炭素原子同士が連続して結合しており、前記ＤＬＣ導電性中間層の炭素原子は、前記イオン注入された炭素原子に結合していることを特徴とする。

本発明によれば、集電体に形成されたＤＬＣ導電性中間層に分極性電極が接着されていることにより、集電体と分極性電極に対していずれにも良好な接着性を有し、しかも、電解液に対して反応し難い点で優れた導電性の層が集電体と分極性電極の間に設けられた電気二重層キャパシタを提供することができる。

本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタ１の構成を示す模式図である。同上の電気二重層キャパシタ１のＤＬＣ導電性中間層４ａ（４ａ’）の成膜方法を示す模式図である。同上の電気二重層キャパシタ１の構成の変形例を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための好ましい形態を説明する。本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタ１は、図１に示すように、セパレータ２と、そのセパレータ２の両側に設けられた２個の分極性電極３，３’と、それぞれの分極性電極３，３’の外側に設けられた集電体４，４’と、を備えている。セパレータ２と２個の分極性電極３，３’には電解液Ｌが含浸されている。電解液Ｌは、セパレータ２の中を通過可能である。分極性電極３，３’は、多孔質物質（一般には、活性炭）の粒状体（例えば、粒径１〜１０μｍ程度）がバインダーで結着されたものである。集電体４，４’は、金属板（一般には、アルミニウム板）が用いられている。

そして、この電気二重層キャパシタ１は、両集電体４，４’の各対向面側にＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’が形成され、各ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’にそれぞれ分極性電極３，３’が接着されている。ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’は、高い導電性のＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の薄膜である。ＤＬＣは、例えば気相成長法で成膜可能であって、炭素原子のＳＰ３結合（ダイヤモンド結合）とＳＰ２結合（グラファイト結合）が混在したアモルファス（非晶質）構造のものである。ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’は、例えば、不純物を混ぜることなく膜生成速度や下記に示すようなプラズマ密度などを調整し、ダイヤモンド結合にＰ型半導体の特性を持たせるなどして導電性を高めた（例えば、抵抗率１０ｍΩｃｍ以下）ものである。

ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’は、以下のようにして成膜できる。すなわち、図外の真空状態のチャンバー内において、図２に示すように、集電体４，４’（図２では集電体４側のみを示し、集電体４’側も同様である）の近傍にプラズマＰを発生させて原料ガスに含まれる炭素原子Ｃ、Ｃ、…をイオン化し、そのイオンを電界Ｅにより加速させてエネルギーを持たせ、集電体４，４’に当てる。詳細には、集電体４，４’の所定の深さの位置から表面までエネルギーを調整して炭素原子Ｃ、Ｃ、…のイオンを注入し、更に集電体４，４’の表面全体を被覆する所定の厚さの被膜、すなわちＤＬＣ導電性中間層４ａ、４ａ’を生成する。なお、炭素原子Ｃのイオン化は化合物の形でもよい。

この成膜方法では、集電体４，４’の表面近傍内部では、集電体４，４’を形成する原子が存在するとともに、それらの原子の間にイオン注入された炭素原子Ｃ、Ｃ、…が存在しており、それらの炭素原子Ｃ、Ｃ、…同士が連続して結合している状態となっている。そして、この集電体４，４’の内部の炭素原子Ｃ、Ｃ、…に連続して、ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’の炭素原子Ｃ、Ｃ、…が固く結合している状態となっている。

このようなＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’は、集電体４，４’との間で界面を持たない連続した結合体となっており、また、集電体４，４’の自然酸化膜の形成も抑制され、従って、それらの間の抵抗は低い。

ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’と分極性電極３，３’との接着は、分極性電極３，３’において粒状体同士を結着するバインダーを用いればよい。活性炭の分極性電極３，３’の粒状体は、ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’と同様に、炭素原子が互いに結合したものであるので、ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’と分極性電極３，３’の間の親和性が高く、また、自然酸化膜はほとんど形成されないので、それらの間の抵抗は低い。

ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’は、共有結合の炭素原子から構成されるために電解液Ｌとは反応し難く、また、ピンホールもなく電解液Ｌが集電体４，４’に接触するのを阻止する。よって、電解液Ｌとの反応による経時劣化は防止される。ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’を設けることは、特に、２個の集電体４，４’間の電圧を上げることによって多量の電荷を充電しようとする場合、すなわち、経時劣化が起こり易い状況にて、有効である。

以上のように、ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａ’は、高い導電性を有し、集電体４，４’と分極性電極３，３’に対していずれにも接着性が良く、しかも、電解液Ｌに対して反応し難い点で優れたものとなり、それにより、集電体４，４’と分極性電極３，３’間の内部抵抗を小さく、かつ、安定させることができる。これにより、多量の電荷の急速充放電のために非常に好ましい電気二重層キャパシタを得ることができる。静電容量が大きい分極性電極３，３’（例えば、ＰＥＴ繊維の活性炭など）の場合は、特に好ましい電気二重層キャパシタとなる。

以上、本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタについて説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、上記のセパレータ２と、そのセパレータ２の両側に設けられた２個の分極性電極３，３’と、それぞれの分極性電極３，３’の外側に設けられた集電体４，４’と、を備えた（図１に示した構成の）セルを、図３に示すように、反転しながら複数個並べることにより、静電容量を増加させることが可能である。この場合、集電体４の両面にＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａを形成し、ＤＬＣ導電性中間層４ａ，４ａに分極性電極３，３が接着するようにできる。集電体４’についても同様である。また、パッケージの仕方などは、記載を省略しているが、それらは用途に合わせてさまざまなものが可能である。

１電気二重層キャパシタ
２セパレータ
３，３’ 分極性電極
４，４’ 集電体
４ａ，４ａ’ ＤＬＣ導電性中間層
Ｌ電解液

Claims

セパレータと、該セパレータの両側に設けられた２個の分極性電極と、該それぞれの分極性電極の外側に設けられた集電体と、を備えており、前記セパレータと前記２個の分極性電極に電解液が含浸された電気二重層キャパシタにおいて、
前記集電体にＤＬＣ導電性中間層が形成され、該ＤＬＣ導電性中間層に前記分極性電極が接着されていることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
請求項１に記載の電気二重層キャパシタにおいて、
前記集電体の表面近傍内部は、イオン注入された炭素原子同士が連続して結合しており、
前記ＤＬＣ導電性中間層の炭素原子は、前記イオン注入された炭素原子に結合していることを特徴とする電気二重層キャパシタ。